JP2009054946A - Semiconductor device and its production process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は高駆動能力を有するMOSトランジスタを含む半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a MOS transistor having a high driving capability.
ボルテージレギューレータ(以下VR)やスイッチングレギュレータ(以下SWR)と呼ばれる、電源電圧を制御し、一定電圧を出力するICにおいては、使用するアプリケーションにより高効率、高出力電流が要求される場合に、低ON抵抗のMOSトランジスタが必要となってくる。この場合、駆動能力の高いMOSトランジスタが必要とされるため、外付けのPower MOSを使用することにより対応することができる。しかし、電源制御回路全体としては部品点数が増えてしまい、部品増加および実装などによりコストが増大することが懸念される。 In an IC called a voltage regulator (hereinafter referred to as VR) or switching regulator (hereinafter referred to as SWR) that controls the power supply voltage and outputs a constant voltage, when high efficiency and high output current are required by the application used, A low ON resistance MOS transistor is required. In this case, since a MOS transistor having a high driving capability is required, it can be dealt with by using an external Power MOS. However, the power supply control circuit as a whole has an increased number of parts, and there is a concern that costs increase due to an increase in parts and mounting.
そこで、外付けとして使用しているPower MOSをVRやSWRの内部に取り込むことにより、コストを削減する方法が挙げられる。Power MOSをVRおよびSWRの内部に取り込むことにより、1チップ化が図れるため、前述の部品点数や実装などによって発生するコストは削減できることになる。しかし、Power MOSでは基板の深さ方向に電流を流す縦型MOS構造が主流であり、素子単体としては非常に優れた性能を有しているが、VRやSWRの内部に取り込むことは困難である。よって、Power MOSを内部に取り込む際に横型MOS構造を採用した場合、低オン抵抗とするにはトランジスタサイズを大きくする必要が出てくるので、これによりチップ面積が増大することが懸念される。 Therefore, there is a method to reduce the cost by incorporating the power MOS used as an external device into the VR or SWR. By incorporating the Power MOS into the VR and SWR, a single chip can be achieved, thereby reducing the costs caused by the number of components and mounting described above. However, Power MOS mainly uses a vertical MOS structure in which current flows in the depth direction of the substrate, and it has excellent performance as a single element, but it is difficult to incorporate it into a VR or SWR. is there. Therefore, when the lateral MOS structure is adopted when taking the Power MOS into the inside, it is necessary to increase the transistor size in order to achieve a low on-resistance, which may increase the chip area.
その対策として、チャネル部にトレンチを形成することでトランジスタのチャネル幅を増加させる方法がある(例えば特許文献1の図2を参照)。この方法によると、素子面積を同一としたまま、溝の深さに応じてチャネルの幅を大きくできるため、素子のチャネル部の抵抗を小さく、すなわち素子自体の抵抗を小さくすることができ、オン抵抗を低減することができる。また、溝を複数形成すれば、これらの溝の設置密度に応じてもチャネルの幅を大きくできるので、より効果的にオン抵抗を低減することができるようになる。 As a countermeasure, there is a method of increasing the channel width of the transistor by forming a trench in the channel portion (see, for example, FIG. 2 of Patent Document 1). According to this method, since the channel width can be increased according to the depth of the groove while keeping the element area the same, the resistance of the channel portion of the element can be reduced, that is, the resistance of the element itself can be reduced. Resistance can be reduced. In addition, if a plurality of grooves are formed, the channel width can be increased according to the installation density of these grooves, so that the on-resistance can be more effectively reduced.
また、チャネル長方向に延在する凹部と凸部を交互に有するチャネル幅方向に沿った矩形波形状又は三角波形状等の波形形状を形成し、トランジスタ領域の拡大を伴わずに駆動能力を増大させる構造が挙げられる(例えば特許文献2参照)。
特許文献1の発明における構造においては、製造ばらつきによりウェル拡散層の濃度変動だけではなくウェル拡散層の接合深さが変動することによりトレンチ側面に形成されるチャネル長が変動するため、素子の特性がばらつきやすい構造となっている。また、トレンチ側面に形成されるチャネルにおいては、ウェルの拡散深さによって変動する構造となっており、VRやSWRの内部に取り込む場合にはデバイス設計に制限を与えることになってしまう。
In the structure of the invention of
また、半導体基板表面におけるチャネル端から高濃度ドレイン拡散層までの低濃度ドレイン拡散層までの距離とトレンチ側面のチャネル端から高濃度ドレイン拡散層までの低濃度ドレイン拡散層までの距離が異なり、トレンチ側面のチャネル端から高濃度ドレイン拡散層までの距離の方が長くなるため、抵抗成分が大きくなり、トレンチ底部での電流量は低下する。そのため、トレンチにより単位面積当りのチャネル幅を大きくした効果があまり現れない構造となっている。 In addition, the distance from the channel end on the semiconductor substrate surface to the low concentration drain diffusion layer from the high concentration drain diffusion layer and the distance from the channel end on the side surface of the trench to the low concentration drain diffusion layer are different. Since the distance from the side channel end to the high-concentration drain diffusion layer becomes longer, the resistance component increases, and the amount of current at the bottom of the trench decreases. For this reason, the effect of increasing the channel width per unit area by the trench does not appear so much.
特許文献2の発明においては、矩形波形状の段差を深くすることにより単位面積当りの駆動能力を向上させることができる。しかし、図9に示すように半導体基板102に形成されたトレンチが一段である場合、単位面積当りのゲート幅を増やすために、トレンチ幅v、トレンチ間隔lを狭くし、かつトレンチ深さwを深くすることで単位面積当りの駆動能力を向上させることができる。しかし、半導体基板102表面とトレンチ底部との段差が大きくなる傾向と成り、MOSトランジスタの閾値電圧を調整する際にチャネル領域にイオン注入法を用いて不純物の導入を行なった場合、段差がきついことによって、半導体基板101表面、トレンチ底部およびトレンチ側面に均一にイオン注入が行なわれず、チャネル領域の不純物濃度を均一に形成することが困難になる。これにより、トレンチ幅v、トレンチ間隔l、トレンチ深さwに制限を課することとなり、単位面積当りの駆動能力をさらに向上させることができない構造となっている。
In the invention of
上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を用いた。
(1)MOSトランジスタのチャネル領域にゲート長方向に対し水平に配置するトレンチの構造をゲート幅方向に階段状に形成することを特徴とする半導体装置とした。
(2)前記階段状の構造は半導体基板表面から下に凸であることを特徴とする半導体装置とした。
(3)前記階段状の構造は半導体基板表面から上に凸であることを特徴とする半導体装置とした。
(4)前記階段状のチャネル領域は2段以上であることを特徴とする半導体装置とした。
(5)前記MOSトランジスタのソース拡散層及びドレイン拡散層の領域も階段状に形成されていることを特徴とする半導体装置とした。
In order to solve the above problems, the present invention uses the following means.
(1) A semiconductor device is characterized in that a trench structure disposed horizontally in the gate length direction in the channel region of the MOS transistor is formed stepwise in the gate width direction.
(2) The semiconductor device is characterized in that the stepped structure is convex downward from the surface of the semiconductor substrate.
(3) The semiconductor device is characterized in that the stepped structure is convex upward from the surface of the semiconductor substrate.
(4) The semiconductor device is characterized in that the stepped channel region has two or more steps.
(5) The semiconductor device is characterized in that the regions of the source diffusion layer and the drain diffusion layer of the MOS transistor are also formed stepwise.
MOSトランジスタにおいて、ゲート長方向に対し水平に配置するトレンチもしくはフィンの構造をゲート幅方向に階段状に形成することで半導体基板表面とトレンチ底部もしくはフィン頭頂部の段差が緩和されるため、単位面積当りの駆動能力を上げるために深いトレンチもしくは高いフィンを有している場合においてもイオン注入法を用いてチャネル領域、ソース拡散層およびドレイン拡散層の不純物濃度を均一に形成することができる構造と成る。これらにより、チャネルが形成される面による特性の変動が現れない安定した特性が得られ、単位面積当りのオン抵抗が低減された高駆動能力横型MOSトランジスタを提供することが可能となる。 In a MOS transistor, the step between the surface of the semiconductor substrate and the bottom of the trench or the top of the fin is reduced by forming a trench or fin structure arranged horizontally in the gate length direction in a stepwise manner in the gate width direction. A structure in which the impurity concentration of the channel region, the source diffusion layer and the drain diffusion layer can be uniformly formed by using the ion implantation method even when a deep trench or a high fin is provided in order to increase the driving capability Become. As a result, it is possible to provide a stable driving characteristic that does not cause a change in characteristics due to the surface on which the channel is formed, and a high driving capability lateral MOS transistor with reduced on-resistance per unit area.
以下、本発明による最良の形態について図面を用いて詳細に説明を行なう。 Hereinafter, the best mode according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1から図4に本発明の第一の実施例である半導体装置を示す。図1は、本発明の第一の実施例である横型トレンチMOSトランジスタの構造を示しており、図2は図1のA-A'一点鎖線およびB-B'一点鎖線を含む平面による断面を示した図となる。 1 to 4 show a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows the structure of a lateral trench MOS transistor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a cross section taken along a plane including AA ′ and BB ′ dashed lines in FIG. It becomes the figure shown.
図1に示すように、P型半導体基板101に高濃度不純物層となるN型ドレイン拡散層201およびN型ソース拡散層202が形成されており、P型半導体基板101上にゲート絶縁膜301が形成されており、さらにゲート絶縁膜301上にゲート電極401が形成されている。即ち、P型半導体基板101、N型ドレイン拡散層201、N型ソース拡散層202、ゲート電極401がそれぞれMOSトランジスタにおけるサブストレート、ドレイン、ソース、ゲートを担い、MOSトランジスタを形成している。
As shown in FIG. 1, an N-type
N型ドレイン拡散層201およびN型ソース拡散層202は、P型半導体基板101の表面から深い方向に溝が形成されるような下に凸となるトレンチが形成されており、そのトレンチはA-A'一点鎖線のAからA'方向に対して階段状に深くなり、次いで、階段状に浅くなるように形成されている。
In the N-type
また、図2に示すように、ゲート絶縁膜301下のP型半導体基板101についてもN型ドレイン拡散層201及びN型ソース拡散層202と同様にP型半導体基板101の基板表面から深い方向に溝が形成されるような半導体基板表面から下に凸となるトレンチが形成されており、そのトレンチはA-A'一点鎖線のAからA'方向に対して階段状に深くなり、次いで、階段状に浅くなるように形成されている。それぞれの階段状に形成されているトレンチは、N型ドレイン拡散層201からゲート絶縁膜301下のP型半導体基板101、N型ソース拡散層202まで、ゲート長方向に対し水平に配置する連続した帯状のトレンチとなっている。
Further, as shown in FIG. 2, the P-type semiconductor substrate 101 under the gate
ゲート絶縁膜301は、直下のP型半導体基板101の形状に合わせて、膜厚が均一に成るように形成され、ゲート電極401はゲート絶縁膜301を覆うようにゲート絶縁膜301上に形成されている。
The
上記の横型MOSトランジスタの動作を説明する。N型ドレイン拡散層201に正の電圧、N型ソース拡散層202にN型ドレイン拡散層よりも低い電圧、つまり負の電圧が印加された状態において、ゲート電極401に正の電圧を印加すると、ゲート酸化膜301直下のP型半導体基板101表面がN型に反転し、電子がN型ソース拡散層202からN型に反転したP型半導体基板101表面を通り、N型ドレイン拡散層201に流れる。
The operation of the horizontal MOS transistor will be described. When a positive voltage is applied to the
図3は、本発明の第一の実施例である横型MOSトランジスタを示す平面図であり、図4は図3におけるC-C'一点鎖線での断面図を示している。図3は、ゲート電極401を介してN型ドレイン拡散層201とN型ソース拡散層202が形成されており、ゲート長方向に対し水平に配置する帯状のトレンチを有しており、図4に示すようにゲート絶縁膜301直下のP型半導体基板101にも帯状のトレンチが形成され、N型ソース拡散層202からN型ドレイン拡散層まで連続した帯状のトレンチとなっている。また、このトレンチはC-C'一点鎖線のCからC'方向に対して階段状に深くなり、次いで、階段状に浅くなるように形成されている。
FIG. 3 is a plan view showing a lateral MOS transistor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the chain line CC ′ in FIG. In FIG. 3, an N-type
図3、図4に示すように連続的に階段状のトレンチを配置することでMOSトランジスタのゲート幅が増加するため、電流量を増加させることが可能であり、単位面積当りの電流量はトレンチ間隔l、第一トレンチ幅m、第二トレンチ幅nを狭く、第一トレンチ深さo、第二トレンチ深さpを深く形成することにより増加させることが可能である。上記の例では、階段状のトレンチを2段としているが、トレンチの段差が大きい場合は、階段状のトレンチの段数をさらに増やすことで段差を緩和することが可能となる。 As shown in FIGS. 3 and 4, the gate width of the MOS transistor is increased by arranging stepped trenches continuously, so that the amount of current can be increased, and the amount of current per unit area is the trench. The distance l, the first trench width m, and the second trench width n can be narrowed and the first trench depth o and the second trench depth p can be increased. In the above example, the stepped trench has two steps. However, if the step difference of the trench is large, the step can be reduced by further increasing the number of steps of the stepped trench.
上記は、P型半導体基板をサブストレートとし、N型拡散層をソース及びドレインとしたN型チャネルMOSトランジスタを元に説明を行なってきたが、P型チャネルMOSトランジスタにも適用することが可能である。サブストレートを半導体基板内に形成されたウェルを用いたMOSトランジスタ構造においても適用可能である。また、ソース拡散層およびドレイン拡散層に低濃度のオフセット層を有したMOSトランジスタであっても、本構造は適用できる。 The above has been described based on an N-type channel MOS transistor using a P-type semiconductor substrate as a substrate and an N-type diffusion layer as a source and drain, but can also be applied to a P-type channel MOS transistor. is there. The present invention can also be applied to a MOS transistor structure using a well in which a substrate is formed in a semiconductor substrate. This structure can be applied even to a MOS transistor having a low-concentration offset layer in the source diffusion layer and the drain diffusion layer.
本発明における第一の実施例におけるMOSトランジスタにおいては、ゲート長方向に対し水平に配置する帯状のトレンチをゲート幅方向に階段状に形成することによって、半導体基板表面とトレンチ底部の段差が緩和されるため、単位面積当りの駆動能力を上げるために深いトレンチを有している場合においてもイオン注入法を用いてチャネル領域、ソース拡散層およびドレイン拡散層の不純物濃度を均一に形成することができる構造となっている。 In the MOS transistor according to the first embodiment of the present invention, the step between the semiconductor substrate surface and the bottom of the trench is alleviated by forming a strip-like trench arranged horizontally in the gate length direction in a stepwise manner in the gate width direction. Therefore, even when a deep trench is provided in order to increase the driving capability per unit area, the impurity concentration of the channel region, the source diffusion layer, and the drain diffusion layer can be uniformly formed by using the ion implantation method. It has a structure.
これらにより、VRやSWRの内部に高駆動能力を有したMOSトランジスタを取り込む場合において、トレンチにより単位面積当りのゲート幅を増加させるMOSトランジスタを用いても、チャネルが形成される面による特性の変動が現れない安定した特性が得られ、単位面積当りのオン抵抗が低減された高駆動能力横型MOSトランジスタを提供することが可能となる。 As a result, when incorporating a MOS transistor with high drive capability inside a VR or SWR, even if a MOS transistor that increases the gate width per unit area by a trench is used, fluctuations in characteristics due to the surface on which the channel is formed Thus, it is possible to provide a lateral MOS transistor having a high driving capability in which a stable characteristic that does not appear is obtained and the on-resistance per unit area is reduced.
次に、図5から図8に本発明の第二の実施例である半導体装置を示す。図5は、本発明の第二の実施例である横型MOSトランジスタの構造を示している図であり、図6は図5のD-D'一点鎖線およびE-E'一点鎖線を含む平面における断面を示した図となる。 Next, FIGS. 5 to 8 show a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing the structure of a lateral MOS transistor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a plan view including a DD ′ dashed line and an EE ′ dashed line in FIG. It is the figure which showed the cross section.
図5に示すように、P型半導体基板101に高濃度不純物層となるN型ドレイン拡散層201およびN型ソース拡散層202が形成されており、P型半導体基板101上にゲート絶縁膜301が形成されており、さらにゲート絶縁膜301上にゲート電極401が形成されている。MOSトランジスタにおけるサブストレート、ドレイン、ソース、ゲートをそれぞれP型半導体基板101、N型ドレイン拡散層201、N型ソース拡散層202、ゲート電極401が担い、MOSトランジスタを形成した構造となっている。
As shown in FIG. 5, an N-type
N型ドレイン拡散層201およびN型ソース拡散層202は、P型半導体基板101の表面から高い方向に山が形成されるような上に凸となるフィンが形成されており、そのフィンはA-A'一点鎖線のAからA'方向に対して階段状に高く、階段状に低くなるように形成されている。
The N-type
また、図6に示すように、ゲート絶縁膜301下のP型半導体基板101についてもN型ドレイン拡散層201及びN型ソース拡散層202と同様にP型半導体基板101の基板表面から高い方向に山が形成されるような半導体基板表面から上に凸となるフィンが形成されており、そのフィンはA-A'一点鎖線のAからA'方向に対して階段状に高くなり、次いで、階段状に低くなるように形成されている。それぞれの階段状に形成されているフィンは、N型ドレイン拡散層201からゲート絶縁膜301下のP型半導体基板101、N型ソース拡散層202まで、ゲート長方向に対し水平に配置する連続した帯状のフィンとなっている。
Further, as shown in FIG. 6, the P-type semiconductor substrate 101 below the
ゲート絶縁膜301は、直下のP型半導体基板101の形状に合わせて、膜厚が均一に成るように形成され、ゲート電極401はゲート絶縁膜301を覆うようにゲート絶縁膜301上に形成されている。
The
上記の横型MOSトランジスタの動作を説明する。N型ドレイン拡散層201に正の電圧、N型ソース拡散層202にN型ドレイン拡散層よりも低い電圧、つまり負の電圧が印加された状態において、ゲート電極401に正の電圧を印加すると、ゲート酸化膜301直下のP型半導体基板101表面がN型に反転し、電子がN型ソース拡散層202からN型に反転したP型半導体基板101表面を通り、N型ドレイン拡散層201に流れる。
The operation of the horizontal MOS transistor will be described. When a positive voltage is applied to the
図7は、本発明の第一の実施例である横型MOSトランジスタを示す平面図であり、図8は図7におけるF-F'一点鎖線での断面図を示している。図7は、ゲート電極401を介してN型ドレイン拡散層201とN型ソース拡散層202が形成されており、ゲート長方向に対し水平に配置する帯状のフィンを有しており、図8に示すようにゲート絶縁膜301直下のP型半導体基板101にも帯状のフィンが形成され、N型ソース拡散層202からN型ドレイン拡散層まで連続した帯状のフィンとなっている。また、このフィンはC-C'一点鎖線のCからC'方向に対して階段状に高くなり、次いで、階段状に低くなるように形成されている。
FIG. 7 is a plan view showing a lateral MOS transistor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the dashed line FF ′ in FIG. In FIG. 7, an N-type
図7、図8に示すように連続的に階段状のフィンを配置することでMOSトランジスタのゲート幅が増加するため、電流量を増加させることが可能であり、単位面積当りの電流量は第一フィン幅q、第二フィン幅r、フィン間隔sを狭く、第一フィン高さt、第二フィン高さuを高く形成することにより増加させることが可能である。上記の例では、階段状のフィンの段数を2段としているが、フィンの段差が大きい場合は、階段状のフィンの段数をさらに増やすことで段差を緩和することが可能となる。 As shown in FIGS. 7 and 8, the gate width of the MOS transistor is increased by arranging stepped fins continuously, so that the amount of current can be increased, and the amount of current per unit area is the first amount. It is possible to increase the first fin width q, the second fin width r, and the fin interval s by narrowing the first fin height t and the second fin height u. In the above example, the number of steps of the stepped fins is two. However, if the steps of the fins are large, the steps can be reduced by further increasing the number of steps of the stepped fins.
上記は、P型半導体基板をサブストレートとし、N型拡散層をソース及びドレインとしたN型チャネルMOSトランジスタを元に説明を行なってきたが、P型チャネルMOSトランジスタにも適用することが可能である。サブストレートを半導体基板内に形成されたウェルを用いたMOSトランジスタ構造においても適用可能である。また、ソース拡散層およびドレイン拡散層に低濃度のオフセット層を有したMOSトランジスタであっても、本構造は適用できる。 The above has been described based on an N-type channel MOS transistor using a P-type semiconductor substrate as a substrate and an N-type diffusion layer as a source and drain, but can also be applied to a P-type channel MOS transistor. is there. The present invention can also be applied to a MOS transistor structure using a well in which a substrate is formed in a semiconductor substrate. This structure can be applied even to a MOS transistor having a low-concentration offset layer in the source diffusion layer and the drain diffusion layer.
本発明における第二の実施例におけるMOSトランジスタにおいては、ゲート長方向に対し水平に配置する帯状のフィンをゲート幅方向に階段状に形成することによって、半導体基板表面とフィン頭頂部の段差が緩和されるため、単位面積当りの駆動能力を上げるために高いフィンを有している場合においてもイオン注入法を用いてチャネル領域、ソース拡散層およびドレイン拡散層の不純物濃度を均一に形成することができる構造となっている。 In the MOS transistor according to the second embodiment of the present invention, the step between the surface of the semiconductor substrate and the top of the fin is alleviated by forming the strip-like fins arranged horizontally with respect to the gate length direction in a step shape in the gate width direction. Therefore, even when a high fin is provided in order to increase the driving capability per unit area, the impurity concentration of the channel region, the source diffusion layer, and the drain diffusion layer can be uniformly formed using the ion implantation method. It has a structure that can be done.
これらにより、VRやSWRの内部に高駆動能力を有したMOSトランジスタを取り込む場合において、フィンにより単位面積当りのゲート幅を増加させるMOSトランジスタを用いても、チャネルが形成される面による特性の変動が現れない安定した特性が得られ、単位面積当りのオン抵抗が低減された高駆動能力横型MOSトランジスタを提供することが可能となる。 As a result, even when MOS transistors with high drive capability are incorporated inside VR or SWR, even if MOS transistors that increase the gate width per unit area with fins are used, the characteristics fluctuate due to the surface on which the channel is formed. Thus, it is possible to provide a lateral MOS transistor having a high driving capability in which a stable characteristic that does not appear is obtained and the on-resistance per unit area is reduced.
101 P型半導体基板
102 半導体基板
201 N型ドレイン拡散層
202 N型ソース拡散層
301 ゲート絶縁膜
401 ゲート電極
101 P-type semiconductor substrate 102 Semiconductor substrate 201 N-type drain diffusion layer 202 N-type
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